新型太陽能電池研究取得重要進展，轉換效率高達28.0％

"雙碳"目標是我國作出的重大戰略決策，發展清潔低成本的太陽能光伏發電，是實現這一戰略目標的重要途徑與技術保障。通過串聯寬/窄帶隙鈣鈦礦子電池構筑的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，兼備高效率和低成本等優點，是下一代光伏技術的重要發展方向。南京大學譚海仁教授課題組長期從事新型太陽能電池的研究，致力于將國家能源重大需求與基礎應用研究相結合；近年來，團隊圍繞"全鈣鈦礦疊層太陽能電池"這一國際前沿科學領域開展了系統深入的研究，研制的鈣鈦礦疊層電池世界紀錄效率連續6次被國際權威的《Solar cell efficiency tables》收錄。

近期，團隊在全鈣鈦礦疊層電池領域取得最新進展，經日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）國際權威認證的轉換效率高達28.0%，首次超越了傳統晶硅電池，該結果被收錄到最新一期《Solar cell efficiency tables》（Version 61）。2023年6月8日，相關研究成果《All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction》以快速預覽形式在線發表于《Nature》主刊（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06278-z）。匿名審稿專家對這項工作高度評價 — "本文在這個領域展示了非常有意義的結果，因為它不僅展示了世界最佳性能的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，而且還提出了與現有缺陷鈍化方法不同的3D/3D異質結" (This paper shows a very meaningful result in this field in that it not only shows excellent photovoltaic performance on the world-best all-perovskite tandem but also presents the 3D/3D heterojunction as a way unlike existing approaches with defect passivation)。

寬帶隙鈣鈦礦頂電池、窄帶隙鈣鈦礦底電池和隧穿結是構建全鈣鈦礦疊層電池的三個核心部分，開發高性能隧穿結和高效率窄帶隙子電池則是實現高效疊層電池制備的關鍵核心點。譚海仁團隊前期在新型隧穿結結構設計【見Nature Energy, 2019, 4, 864-873】、窄帶隙鈣鈦礦結晶生長調控【見Nature Energy, 2020, 5, 870-880】、晶粒表面缺陷鈍化【見Nature, 2022, 603, 73-78】以及大面積疊層光伏組件的可量產化制備技術【見Science, 376, 762-767】等方面開展了系統性研究，實現了認證效率達26.4%的全鈣鈦礦疊層電池和認證效率21.7%的大面積疊層組件，成果入選科技部評選的2022年度"中國科學十大進展"。

目前全鈣鈦礦疊層電池的效率主要受限于較小的開路電壓和填充因子，其中窄帶隙鈣鈦礦子電池在保持高短路電流密度下無法同時實現高的開路電壓和高的填充因子，是限制全鈣鈦礦疊層電池效率的主要原因。鉛-錫混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜表面存在較高的缺陷態密度，這一高缺陷態密度的界面層（defective interface layer, DIL）與電子傳輸層造成了嚴重的界面非輻射復合損失，限制了全鈣鈦礦疊層電池的光伏性能。在鈣鈦礦薄膜上通過溶液法表面后處理構造一層二維（2D）鈣鈦礦，形成2D/3D異質結結構，是降低鈣鈦礦電池界面復合損失的一種常見策略。然而，溶液法表面后處理得到的2D鈣鈦礦均一性較差（層數n值難以控制）且導電性較低，不利于載流子的界面輸運和抽取，限制了器件的光伏性能。

為解決上述瓶頸，本研究設計了新型的3D/3D雙層鈣鈦礦異質結（PHJ）結構：利用真空蒸發和溶液加工混合法，在鉛-錫混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜上生長一層數十納米厚的三維純鉛寬帶隙鈣鈦礦薄膜（FL-WBG）（見圖1 a-c）。通過調控三維純鉛寬帶隙鈣鈦礦的組分，使其與窄帶隙鈣鈦礦形成Type-II型異質結結構，促進載流子（電子）從鈣鈦礦吸光層向電子傳輸層抽取，降低鈣鈦礦/電子傳輸層C60之間的界面復合損失，顯著提升了電池的開路電壓、填充因子和光電轉換效率（圖1 d），最佳性能的窄帶隙鈣鈦礦電池光電轉換效率達到了23.8%（圖1 e），為目前報道的最高效率。

圖1. 3D/3D雙層鈣鈦礦異質結結構及窄帶隙鈣鈦礦電池光伏性能。a, 含有3D/3D雙層鈣鈦礦異質結（PHJ）的窄帶隙鈣鈦礦電池器件結構。b, 3D/3D雙層鈣鈦礦異質結的截面HR-STEM圖和相應的EDX圖。c, PHJ鈣鈦礦薄膜的飛行時間二次離子質譜圖。d, 對照器件（control）和PHJ窄帶隙鈣鈦礦電池的光伏性能統計圖。e, 最佳性能PHJ鈣鈦礦電池的J-V曲線。

使用紫外光電子能譜（UPS）測量的不同鈣鈦礦的能級顯示：精細調控的FL-WBG鈣鈦礦與鉛錫鈣鈦礦形成Type-II型能帶異質結結構（見圖 2a-c）。經過費米能級平衡和能帶彎曲后，具有PHJ結構的鉛錫鈣鈦礦能帶向下彎曲，這驅使空穴能夠遠離(見圖2 c 藍線)鉛錫鈣鈦礦表面的缺陷層（DIL），并加速電子向電子傳輸層（C60）的漂移 (見圖2c 紅線)，從而減少了載流子在缺陷層處的非輻射復合（見圖2 b 紅線和藍線）。為了進一步探究PHJ層對鉛錫鈣鈦礦性能的影響，本研究通過1D-SCAPS模擬了表面缺陷層在不同缺陷態密度和不同厚度下的光伏性能。模擬結果表明：在表面缺陷層的缺陷態密度和厚度增加時，PHJ鉛錫鈣鈦礦受其影響均遠小于對照器件（見圖2 d-f）。這表明，PHJ結構帶來的場鈍化效應減少了鈣鈦礦與電子傳輸層的接觸損失，從而有效地屏蔽了表面缺陷層對鉛錫窄帶隙鈣鈦礦太陽電池性能的影響。

圖2. 有/無PHJ的鉛錫鈣鈦礦的能級關系圖和模擬的光伏性能。a, PHJ 鉛錫鈣鈦礦太陽能電池各功能層的能級排列。b-c, 能帶彎曲后的Control和PHJ鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的能級圖；紅線和藍線分別表示非輻射復合路徑和載流子漂移方向。d-e, 1D-SCAPS電學模擬：在具有不同缺陷密度(d)和厚度(e)的缺陷層下，Control和PHJ鉛錫鈣鈦礦的光伏性能。f, 1D-SCAPS電學模擬：在有/無DIL時，Control和PHJ 鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線。

結合以上研究和器件設計的思路，本研究將PHJ窄帶隙子電池與高效的寬帶隙子電池進行結合，構筑了高性能的全鈣鈦礦疊層太陽能電池（見圖3 a）。PHJ結構有效地提升了全鈣鈦礦疊層電池的開路電壓、填充因子以及轉換效率（見圖3 b）。實驗室自測效率從26.7%提高到28.5%，同時獲得了效率為26.9%的大面積疊層電池（見圖3 c-d）。

圖3. PHJ全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。a, PHJ 全鈣鈦礦疊層太陽能電池截面圖。b, Control和PHJ全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏特性能統計圖。c, d 最佳性能的PHJ全鈣鈦礦疊層電池的J-V曲線和EQE曲線。e, 面積1-cm2 PHJ全鈣鈦礦疊層電池的J-V曲線。

南京大學為該文的第一作者單位和唯一通訊單位，南京大學特任副研究員林仁興、博士生王玉瑞和碩士盧倩文為論文共同第一作者；南京大學現代工學院譚海仁教授為唯一通訊作者。本研究工作得到了中國科學技術大學樊逢佳教授、中科院蘇州納米所馬昌期研究員和南京大學現工院鄧昱教授的指導與支持；其也得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、教育部前沿科學中心、江蘇省自然科學基金等項目的資助；此外，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環教育部前沿科學中心、人工微結構科學與技術協同創新中心和江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室對該項研究工作也給予了重要支持。